物料堆垛的PLC控制優化分析

徐文文

（上海市公用事業學校，上海 200030）

0 序言

隨著PLC技術和步進電機應用技術的發展，給工業設備的控制方式帶來了新的方向。本文首先對設備的物料堆垛過程進行簡要介紹，對步進電機的工作原理、構造種類及特點特性進行分析，并討論了PLC應用于升降臺物料堆垛的控制研究及其優化，從步進電動機的定位及正反轉的控制角度，對兩種方案進行了比較，分析利與弊，優化升降臺物料堆垛[2]。

1 物料堆垛控制概述

圖1 物料運輸的工作流水線

設備是一個物料運輸的工作流水線[1]，如圖1所示。其中，物料堆垛臺如圖2所示。設備的下料單元傳感器檢測物料后，下料單元雙軸氣缸伸出，到位后，氣動機械手通過氣動吸盤吸取物料，延時幾秒后，雙軸氣缸縮回，到位后，無桿氣缸右移，到位后，步進電機由原點上升至第一塊物料堆垛位置，氣動機械手的氣動吸盤關閉[8]，把物料放下，完成第一塊物料的堆垛，步進電機退回，退回到位后，無桿氣缸左移，到位后，繼續循環工作流水線，等待下一塊物料到達下料單元傳感器位置，重復以上過程，進行升降臺的物料堆垛，直至完成五塊物料的堆垛。

升降臺下降至最低，由左極限限位；升降臺上升至最高，由右極限限位。升降臺還有一個原點位置限位，用于初始化升降臺的位置。

圖2 物料堆垛臺

2 步進電機的工作原理

物料堆垛是通過步進電機定位升降臺的機械結構實現。步進電機是一種控制精度極高的電機，在工業上有著廣泛的應用。

步進電機是一種將電脈沖信號轉變為角位移或直線位移的執行元件[5]。在非超載的情況下，步進電機的轉子的角位移和轉速與單位時間內輸入的脈沖數（即脈沖頻率）成正比，其輸出位移與輸入脈沖數量成正比、其轉向與脈沖分配到步進電機的各相繞組的相序有關。因此，通過控制脈沖數量來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的；通過改變電機繞組通電的相序，從而達到改變電機旋轉方向的目的[2]。

步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差、轉子慣量低、定位精度高、控制簡單等特點，使得步進電機成為速度、位置等運動控制領域的主要執行元件之一[3]。

步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，上位機是個人計算機，作為控制面板、控制軟件編制環境，通過與PLC的通信，實現操作監控功能：PLC發出脈沖、方向信號，通過驅動器控制步進電機的運行狀態[3]。

3 PLC實現物料堆垛的控制分析

可編程序控制器（通稱PLC）是一種工業控制計算機，以微處理器為核心，具有模塊化結構、配置靈活、高速處理速度、精確的數據處理能力、多種控制功能、網絡技術和優越的性價比等，集計算機技術、自動控制技術于一體的一種新型的工業控制裝置[6]。PLC具有抗干擾能力強，可靠性極高、編程方便，可進行在線修改，維護便捷，體積小、重量輕、功耗低，設計施工周期短等優點，是目前廣泛應用的控制裝置之一。

本論文基于天煌教儀公司的THPHDW-1型液壓與氣動系統裝調與維護設備（物料運輸的工作流水線）的升降臺物料堆垛的調試，升降臺上升下降由PLC控制步進電機的正反轉實現[1]。PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用PLC控制步進電機，其脈沖分配由軟件實現，其輸出端步進電機脈沖數量Y0、步進電機方向Y1均可產生高速脈沖。

通過分析得到兩種控制方式，分別是：時間（或位置）控制方式實現物料堆垛；步進電機脈沖數量控制方式實現物料堆垛[7]。

（1）時間（或位置）控制方式實現物料堆垛

物料堆垛部分由三個位置檢測傳感器：升降臺原點檢測傳感器X007，左極限檢測傳感器X010，右極限檢測傳感器X011。

舉例：升降臺位置控制方式，實現升降臺第一塊物料堆垛程序[4]，如圖3所示。給步進電機設置號脈沖數量Y0=180 000；上升到接第一塊物料的位置（右極限X011），設置好標志位M1。升降臺上升不到標志位M1的位置就步進電機就一直保持上升狀態（線圈Y1保持得電狀態），吸盤一直保持吸住物料；當上升到右極限的位置X011后，M1標志位常開閉合，為升降臺停止作準備；M1標志位常閉斷開，步進電機方向Y1斷電，升降臺停止上升，開始下降；同時，吸盤Y012放開，將物料放到升降臺上；當升降臺下降到升降臺的原點位置傳感器X007處時，X007閉合，給步進電機設置好脈沖數量Y0=0，步進電機停止，升降臺停止，堆垛好第一塊物料。

圖3 位置控制實現物料堆垛程序

舉例：升降臺時間控制方式，實現升降臺第五塊物料堆垛程序[4]，如圖4所示。給步進電機設置號脈沖數量Y0=180000；上升到接第五塊物料的位置（時間繼電器T7計時時間1 s到），設置好標志位M1。升降臺上升不到標志位M1的位置就步進電機就一直保持上升狀態（線圈Y1保持得電狀態），吸盤一直保持吸住物料；當上升到標志位M1線圈閉合時，M1標志位的常閉斷開，吸盤Y012放開，將物料放到升降臺上，計時器T8開始計時；同時，步進電機方向Y1斷電，升降臺停止上升，開始下降；當計時器T8計時時間1 s到，給步進電機設置好脈沖數量Y0=0，步進電機停止，升降臺停止，堆垛好第五塊物料。

同理，升降臺位置控制方式與時間控制方式相結合，可以實現升降臺第二、三、四塊物料堆垛程序。此處不再論述。

圖4 時間控制實現物料堆垛程序

（2）步進電機脈沖數量控制方式實現物料堆垛

PLC對步進電機也具有良好的控制能力，利用PLC控制步進電機，其脈沖分配由軟件實現，其輸出端步進電機脈沖數量Y0、步進電機方向Y1均可產生高速脈沖。采用可調速脈沖輸出指令“DPLSR”[4]，通過PLC的Y0輸出端給步進電機賦脈沖數量，Y1輸出端控制步進電機的方向，而步進電機則驅動蝸輪蝸桿，控制升降臺的上升還是下降，進而實現升降臺的物料堆垛。

控制步進電機脈沖數量方式實現物料堆垛程序[4]，如圖5所示。一開始吸盤Y12一直保持工作，并設置一個計數器C1（運送物料的數量，本文這里以2塊物料為例來闡述）。PLC控制步進電機的方向Y1，步進電機有正轉趨勢，使得升降臺準備上升來接第一塊物料，當計數器C1計數到1時，賦值60 000脈沖給D0，Y0=60 000，說明開始給步進電機發送60 000個脈沖數量。這時，步進電機Y0、Y1都就位，升降臺上升；當60 000個脈沖數發送完畢后，吸盤放松，物料下落到升降臺，同時，步進電機方向Y1失電，升降臺上升停止，步進電機準備反轉，新賦值60 000脈沖給D0，Y0=60 000，說明開始給步進電機發送60 000個脈沖數量。這時，步進電機Y0就位，升降臺開始下降，直到60 000個脈沖數發送完畢后，下降停止，堆垛好第一塊物料。

第二塊物料的堆垛，通過改變D0的賦值，也就是改變步進電機的脈沖數量Y0，來控制步進電機轉動多少角位移，也就是升降臺上升到達、下降到達的位置，從而實現第二塊物料的堆垛。

第三塊、第四塊、第五塊物料的堆垛，同理，不再贅述。

（3）時間（或位置）控制方式與脈沖數量控制方式的利與弊

圖5 步進電機脈沖數量控制方式實現物料堆垛部分程序

時間（或位置）控制方式，著重控制時間繼電器或位置傳感器，通過時間繼電器或位置反饋信號，控制升降臺的上升極限位置和下降極限位置，從而實現物料的堆垛。這種方法，需要時間位置控制方式，相對繁瑣，尤其是運送第二三四塊物料時，需要時間和位置控制方法相互結合使用，程序維護相對復雜。

步進電機的脈沖數量控制方式，著重控制步進電機的脈沖數量，通過脈沖數量的多少來控制步進電機的上升極限位置和下降極限位置。這種方法，簡單方便，只要通過數據寄存器D0來修改脈沖數量，通過計數器C1修改運送的物料數量，程序理解和維護方便，非常可靠。

4 結語

本文利用PLC通過對步進電機的位置控制，使得升降臺上升和下降，配合吸盤動作，從而可靠的實現了物料堆垛。通過比較分析，時間位置控制方式和步進電機脈沖數量控制方式兩種方法，均能實現各種步進電機的正、反轉、停止，完成升降臺接料、堆垛等各種復雜的工作。但是比較后，發現PLC控制改變步進電機脈沖數量的方法優化了程序，使用起來，方便靈活，簡單易行，提高了控制系統的柔性和可靠性[3]。

［1］THPHDW-1型液壓與氣動系統裝調與維護設備說明書［Z］.天煌教儀，2013.

［2］陳隆.PLC步進電動機正反轉及調速的控制研究［J］.橡塑技術與裝備，2015（22）：16-17.

［3］代玉杰，王召華.PLC控制步進電機的設計［J］.管理學家，2011（11）：52-53.

［4］韓相爭.三菱FX系統PLC編程速成全圖解［M］.北京：化學工業出版社，2015.

［5］邸靜妍.PLC控制步進電機的接線和編程［J］.電子世界，2016（12）：183-185.

［6］范俊.淺析步進電機的PLC控制技術［J］.科技與創新，2016（15）：142-142.

［7］楊影麗，陳家強.基于PLC的智能倉儲控制系統的設計［J］.山東工業技術，2017（9）：166-166.

［8］劉慶花.基于PLC的自動切料生產線氣動裝置的設計［J］.液壓與氣動，2015（8）：94-96.